5.1.1 Giới thiệu chung
Ngày nay, Internet hỗ trợ chỉ dịch vụ “kết quả tốt nhất” nhưng không có cơ
chế đảm bảo cho việc mất gói, băng thông, độ trễ, jiter… trong khi các dịch vụ cũ
như là FTP, mail, … làm việc tốt với nền tảng Internet cũ thì các dịch vụ hiện tại như là điện thoại Internet, Video trực tuyến… yêu cầu băng thông cao, độ trễ thấp và jitter nhỏ.
QoS là một tập các yêu cầu về dịch vụ cho mạng khi truyền tải dữ liệu. Nói cách khác, QoS là mức độ yêu cầu về dịch vụ của người dùng, được đặc trưng bởi một số tham số như:
Băng thông:
Biểu thị tốc độ truyền dữ liệu cực đại có thểđạt được giữa hai điểm kết cuối. Có thể giải thích qua phép tích toán sau: Một mô hình trạng thái mạng QoS thường được biểu diễn dưới dạng một đồ thị G(V,E). Trong đó V thể hiện cho
Chương 5: Định tuyến trong mạng MPLS
các nút và E là các liên kết. Lưu lượng vào mạng qua nút Si và ra qua nút Ti. Mỗi liên kết (i,j) có 2 đặc tính : Ci,j là dung lượng liên kết và fi,j là lưu lượng thực tế. Gọi Ri,j = (Ci,j – fi,j) là băng thông dư. Một kết nối có yêu cầu băng thông là dk thì một liên kết được gọi là khả dụng khi Ri,j ≥ dk. Một kết nối mới có thể được chấp thuận nếu ít nhất tồn tại một đường dẫn khả dụng giữa Si và Ti. Băng thông là tốc độ truyền thông tin, được tính theo (bit/s).
Độ trễ:
Là khoảng thời gian chênh lệch giữa các thiết bị phát và thiết bị thu. Trễ tổng thể là thời gian trễ từ đầu cuối phát tới đầu cuối thu tín hiệu (gọi là trễ tích lũy). Mỗi thành phần trong tuyến kết nối như thiết bị phát, truyền dẫn, thiết bị chuyển mạch và định tuyến đều có thể gây ra trễ, các thành phần trễ chủ yếu gồm:
• Trễ hàng đợi: Thời gian một gói phải trải qua trong một hàng đợi khi nó phải
đợi để được truyền đi trong một liên kết khác, hay thời gian cần thiết phải
đợi để thực hiện quyết định định tuyến trong bộ định tuyến. Nó có thể bằng 0 hoặc rất lớn vì phụ thuộc vào số gói có trong hàng đợi và tốc độ xử lý.
• Trễ truyền lan: Thời gian cần thiết để môi trường vật lý truyền dữ liệu. Ví dụ
trễ truyền lan trong các truyền dẫn quang thường nhỏ hơn trong môi trường vô tuyến.
• Trễ chuyển tiếp: Thời gian sử dụng để chuyển một gói tin từ một tuyến này sang tuyến khác hay thời gian yêu cầu để xử lý các gói tin đã đến trong một nút. Ví dụ: thời gian để kiểm tra tiêu đề gói và xác định nút tiếp theo để
chuyển gói tin.
• Trễ truyền dẫn: Thời gian được yêu cầu để truyền tất cả các bít trong gói qua liên kết, trễ truyền dẫn được xác định trên thực tế của băng thông liên kết.
Độ lệch trễ:
Là sự khác biệt về trễ của các gói khác nhau cùng trong một luồng lưu lượng.
Độ lệch trễ có tần số cao được gọi là Jitter. Độ lệch trễ chủ yếu do sự sai khác về
Chương 5: Định tuyến trong mạng MPLS
trọng của QoS. Khi Jitter nằm vào khoảng dung sai định nghĩa trước thì nó không làm ảnh hưởng tới chất lượng dịch vụ. Nếu độ lệch trễ quá lớn thì nó sẽ làm cho kết nối trong mạng bị ngắt quãng. Bộđệm Jitter được dùng để giảm tác động “trồi/sụt” của mạng và tạo ra dòng gói đến đều đặn hơn ở máy thu. Độ lệch trễ lớn có thể được xử lý bằng bộđệm, song nó lại làm tăng trễ, nảy sinh ra các khó khăn khác.
Tổn thất gói (mất gói):
Là trường hợp gói tin không đến được đích của nó trước thời gian timeout của bộ thu. Mất gói có thể xảy ra theo từng cụm hoặc theo chu kỳ do mạng tắc nghẽn liên tục hoặc xảy ra trong chính các trường chuyển mạch gói. Mất gói theo chu kỳ khoảng 5% - 10% số gói phát ra có thể làm giảm chất lượng mạng đáng kể. Từng gói bị mất không thường xuyên cũng khiến kết nối gặp khó khăn. Tổn thất gói là một đại lượng quan trọng của QoS với tất cả các ứng dụng dữ liệu hay các dịch vụ thời gian thực.
Chất lượng dịch vụ (QoS) chính là một trong những yếu tố quan trọng nhất để thúc đẩy MPLS và nó luôn là một vấn đề lớn đối với kỹ thuật định tuyến không chỉ trong mạng MPLS. MPLS giải quyết bài toán QoS tương tự
như mô hình phân biệt dịch vụ (Differs) trong IP, bằng cách hỗ trợ chất lượng dịch vụ trên cơ sở phân loại các luồng lưu lượng tại biên mạng. Mục tiêu cơ bản của kỹ thuật định tuyến QoS là tìm ra một đường có khả năng đảm bảo các điều kiện ràng buộc của đấu nối và thậm chí để loại bỏ một sốđấu nối khác.
Một trong các khía cạnh then chốt của kỹ thuật định tuyến trong MPLS là hỗ trợ các đường dẫn hiện (nổi) dựa trên kỹ thuật chuyển tiếp nhãn. Vì vậy, thuật toán định tuyến trong MPLS cho phép lựa chọn các đường dẫn và các tham số
chất lượng dịch vụ QoS để có được các kết quả tốt nhất. Yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS) của kết nối có thể được đưa ra như một tập các điều kiện ràng buộc, các điều kiện này có thể thể hiện rõ ràng như các yêu cầu về băng thông tối thiểu từ phía khách hàng, hoặc không tường minh như các yêu cầu về độ đàn hồi của mạng. Trong công nghệ chuyển mạch nhãn đa giao thức (MPLS), việc lựa chọn
đường dẫn chuyển mạch nhãn (LSP) dựa trên phương pháp tìm đường ngắn nhất với điều kiện ràng buộc là giải pháp định tuyến động cơ bản trong mạng MPLS. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Chương 5: Định tuyến trong mạng MPLS
Định tuyến ràng buộc đảm bảo chất lượng dịch vụ trong MPLS sử dụng một tập thuộc tính của trung kế lưu lượng, tập thuộc tính này liên quan tới tài nguyên và các thông tin trạng thái khác của mạng. Dựa trên các thông tin này, một tiến trình định tuyến ràng buộc trên mỗi nút tự động tính toán tuyến chính xác cho mỗi trung kế lưu lượng từ nút đó đi. Trong trường hợp chung, giải pháp để
tìm đường dẫn khả dụng nếu nó tồn tại thường được tiến hành theo hai bước:
Đầu tiên là loại bỏ toàn bộ các tài nguyên mà không thoả mãn các yêu cầu của trung kế lưu lượng (kết nối), sau đó chạy thuật toán tìm đường ngắn nhất trên đồ
thị còn lại hoặc ngược lại.
5.1.2 Một số thuật toán dựa trên QoS
Có rất nhiều thuật toán định tuyến dựa trên QoS. Đó là kết quả của sự kết hợp của rất nhiều bài toán tối ưu và ràng buộc, sự kết hợp của rất nhiều loại metric như
là băng thông, độ trễ, jitter...Trong phần này, luận văn giới thiệu một số thuật toán
định tuyến QoS trong mạng MPLS đã được đề xuất như: Thuật toán Bước nhảy tối thiểu (Minhop-MHA), thuật toán tìm đường ngắn nhất và rộng nhất (Widest Shortest Path-WSPA), thuật toán tìm đường rộng nhất và ngắn nhất (Shortest Widest Path- SWPA). Hầu hết các phương pháp định tuyến này đều chạy trên cơ sở thuật toán Dijkstra và dưới đây là một số tóm lược ưu, nhược điểm của từng thuật toán.
5.1.2.1 Thuật toán bước nhảy tốt thiểu (Minhop – MHA)
Thuật toán bước nhảy tối thiểu là thuật toán đơn giản nhất nhằm tìm ra một
đường dẫn với số bước nhảy tối thiểu (số hop) từ nguồn tới đích, mặc dù thuật toán này có khả năng tìm được đường dẫn đáp ứng được yêu cầu băng thông và có
ưu điểm là tính toán nhanh, nhưng MHA gây ra hiện tượng nghẽn cổ chai tại liên kết tải lớn trong mạng. MHA có khuynh hướng sử dụng cùng một đường dẫn cho tới khi đạt tới tình trạng bão hoà trước khi chuyển sang các đường dẫn khác có mức tải thấp hơn.
5.1.2.2 Thuật toán tìm đường ngắn nhất, rộng nhất (Widest shortest path WSPA)
Chương 5: Định tuyến trong mạng MPLS
thuật toán Min-hop, có ưu điểm dùng để cân bằng tải lưu lượng trong mạng. Thuật toán này sẽ chọn con đường khả thi với tối thiểu số bước nhảy (số hop) từ nguồn tới đích, và nếu có nhiều đường như vậy thì sẽ chọn con đường có băng thông dư là lớn nhất. Tuy nhiên thuật toán WSPA vẫn có nhược điểm giống thuật toán MHA là con đường được chọn là một trong những con đường ngắn nhất và lưu lượng sẽ đi qua con đường này cho tới khi đạt tới tình trạng bão hòa trước khi chuyển sang các
đường dẫn khác.
5.1.2.3 Thuật toán tìm đường rộng nhất và ngắn nhất (Shortest widest path SWPA)
Thuật toán tìm đường rộng nhất và ngắn nhất (SWPA) sử dụng băng thông như là một tham số đo lường và lựa chọn đường dẫn với băng thông nghẽn cổ
chai tối đa. Băng thông nghẽn cổ chai tối đa của một đường dẫn là băng thông dư
tối thiểu trong tất cả các liên kết của một đường dẫn. Nếu có nhiều hơn một
đường dẫn có cùng băng thông dư tối thiểu, thuật toán sẽ chọn đường có số lượng bước nhảy ít nhất. Nhược điểm của thuật toán này là ưu tiên băng thông nhằm tối
ưu tải liên kết mà bỏ qua các tham số khác.
5.2 Định tuyến dựa trên lưu lượng
Với thuật toán tìm đường ngắn nhất, nhược điểm của các thuật toán này là khi một đường LSP là tốt với nhiều cặp nguồn – đích, thì các cặp nguồn – đích sẽ
chọn tuyến đường đó để đi và sẽ dẫn đến hiện tượng tắc nghẽn trên tuyến đường
đó. Thuật toán định tuyến dựa trên lưu lượng không chỉ tối ưu tài nguyên mạng tại thời điểm hiện tại mà còn cho cả tương lai. Thuật toán định tuyến dựa trên lưu lượng sẽ tiên đoán liên kết nào sẽ bị tắc nghẽn khi chúng ta định tuyến quá nhiều lưu lượng đi qua chúng và sẽ giảm định tuyến lưu lượng qua các liên kết đó.
Dưới đây là một số thuật toán định tuyến dựa trên lưu lượng
5.2.1 Thuật toán định tuyến nhiễu tối thiểu MIRA (Minimum Interference Routing Algorithm) Routing Algorithm)
Chương 5: Định tuyến trong mạng MPLS (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
nguồn - đích khác (s,d). thuật toán này giả thiết có một số nhận định về tiềm năng của các cặp nguồn - đích. Nhận định về tiềm năng của cặp nguồn - đích cho phép định tuyến lưu lượng mới dọc theo các đường dẫn không bị tới hạn bởi yêu cầu trong tương lai, vì vậy nó giảm được các số từ chối yêu cầu kết nối. Nhiễu của một đường dẫn có thểđược định nghĩa như là sự suy giảm giá trị luồng tối đa (maxflow) của một cặp nguồn đích do vấn đề định tuyến trên cùng một LSP của các cặp nguồn đích khác.
Đặt θsd là giá trị luồng tối đa (maxflow) của cặp nguồn đích (s,d) được tính toán sau khi thỏa mãn yêu cầu thiết lập LSP. Mục tiêu tối ưu là:
Maximize Σ θsd
Bên cạnh đó, phải tìm ra lưu lượng của mỗi cặp nguồn đích, thiết lập tuyến
đường với băng thông D và đảm bảo ràng buộc: tổng băng thông của mọi lưu lượng
đi qua mỗi liên kết phải nhỏ hơn băng thông dự trữ của liên kết đó, và tổng lưu lượng đi vào bằng với tổng lưu lượng đi ra mỗi nút của mạng.
Vấn đề trên được giải quyết thông qua thuật toán MIRA: từ thông tin về
dung lượng dự trữ của mọi cung, ta có thể tính toán ra maxflow của mọi cặp nguồn-đích. Với mỗi cặp nguồn-đích, chúng ta tìm ra tập mincut, và những liên kết thuộc về tập đó được gọi là các liên kết tới hạn (critical links). Các critical link có tính chất là nếu chúng ta định tuyến lưu lượng của cặp nguồn-đích đi qua chúng thì maxflow của cặp nguồn-đích sẽ bị suy giảm. Do đó mục tiêu của thuật toán MIRA là tránh đến tối đa việc đi qua các critical link đó. Dưới đây là chi tiết các bước của thuật toán MIRA:
Xét một mô hình G = (N, L), trong đó: N: là tập các nút mạng
L: là tập các cung kết nối
Xét một nút đầu vào (ingress node) a và một nút đầu ra (egress node) b, dung lượng giữa hai nút là D.
• Tính toán giá trị maxflow của tất cả các cặp nguồn đích (s,d) ∈ P\(a,b) (P là tập các cặp nguồn-đích)
Chương 5: Định tuyến trong mạng MPLS
• Tính toán tập các critical link Csd cho các cặp (s,d) ∈ P\ (a,b)
• Tính toán trọng số: ω(l)= ∑ ∈Csd l d s, ): sd ( α với ∀l ∈ L
trong đó α sd được coi là trọng số của cặp (s,d), phản ánh mức quan trọng của (s,d), nó có thểđược tính như sau: θ α sd sd 1 =
• Sử dụng thuật toán Dijkstra để tìm đường đi ngắn nhất trong mạng dựa trên trọng số ω(l)
Dưới đây là một phương pháp để xác định các critical link:
Với mỗi một cặp nguồn đích (s,d) và một cặp đầu vào, đầu ra (i,j), giá trị ngưỡng critical được định nghĩa:
• 0 < R (i,j) ≤ K → (i,j) ∈ Csd (thuộc critical link).
• R (i,j) > K → (i,j) ∈ Csd (không là critical link).
Để minh họa phương pháp này ta xét mô hình sau:
Hình 5.1Minh họa phương pháp xác định Critical link
Ở đây các giá trị trong ngoặc là các giá trị K cần phải tính (chẳng hạn với
đường link từ node 2 đến node 4 giá trị R = 4 là băng thông và giá trị này được cho trước, giá trị K = 13 là giá trị ngưỡng critical, cần phải tính dựa vào các giá trị R). Ta có thể dễ dàng thấy được, với dung lượng đường truyền như trên hình trên thì giá trị maxflow của cặp nguồn đích (1,6) sẽ là 16 đơn vị, từđó ta sẽ tính được các
Chương 5: Định tuyến trong mạng MPLS
giá trị ngưỡng critical K. ví dụ:
- Với đường truyền từ node 1 đến node 2 giá trị K là 2 (vì maxflow của (1,6) là 15 trong khi tốc độ tối đa truyền từ node 1 đến node 6 đi qua node 3 là 13).
- Với đường truyền từ node 1 đến node 3 giá trị K là 9 (vì maxflow của (1,6) là 15, trong khi tốc độ tối đa truyền từ node 1 đến node 6 đi qua node 2 chỉ là 6).
- Với đường truyền từ node 3 đến node 5 giá trị K là 11 (vì maxflow của (1,6) là 15, sẽ đi qua 2 con đường là (2,4) hoặc (3,5), trong khi tốc độ tối đa truyền trên (2,4) là 4). (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Với đường truyền từ node 4 đến node 6 giá trị K là 11 (vì maxflow của (1,6) là, trong khi tốc độ tối đa trên (5,6) là 4).
Sau khi tính được các giá trị K ta thấy rằng những đường (2,4), (4,5) và (5,6) có giá trị K lớn hơn R, do đó các đường này là các critical link.
Xét mô hình sau:
Hình 5.2Mô hình minh họa thuật toán MIRA
Trong mô hình này có 3 cặp nguồn đích (S1, D1), (S2, D2), (S3, D3) và tất cả các đường link đều có băng thông là 1 đơn vị. Bây giờ chúng ta có một yêu cầu cần thiết lập một LSP giữa S3 và D3 với băng thông là 1 đơn vị. Nếu sử dụng thuật toán min-hop thì tuyến đường từ S3 đến D3 sẽ là 1-7-8-5, như vậy nếu tuyến này
được thiết lập thì sẽ ngắt hết các tuyến đường từ S1 đến D1 cũng như từ S2 đến S2. Khi sử dụng thuật toán MIRA, ta thấy giá trị maxflow của (S1,D1), (S2,D2),
Chương 5: Định tuyến trong mạng MPLS
(S3,D3) sẽđều là 1. Như vậy trên đường từ node 7 đến node 8 giá trị ngưỡng K sẽ
là 1 do đó (7,8) sẽ là một critical link. Do vậy trong trường hợp này tuyến đường từ
S3 đến D3 sẽ đi theo đường 1-2-3-4-5 (đây không phải là một critical link), tuyến
đường 7-8 sẽđược dành cho (S1,D1) và (S2, D2).
5.2.2 Thuật toán định tuyến động trực tuyến DORA (Dynamic Online Routing Algorithm) Algorithm)
Thuật toán DORA cũng dựa trên thông tin hiện tại của mạng để tiên đoán ra các liên kết có khả năng bị tắc nghẽn để tránh đi qua chúng. DORA khác biệt với MIRA ở chỗ MIRA dựa trên maxflow, trong khi DORA xem xét về số tuyến đường
đi qua một liên kết (xem xét đến mọi cặp nguồn-đích) và băng thông dư thừa trên liên kết đó.Trong mạng MPLS, một ingress node (source) là một router biên, được coi như là cổng vào của mạng, trong khi một egress node (destination) là một router biên, được coi như là đầu ra của mạng. Mỗi một yêu cầu trong mạng sẽđòi hỏi một